水泥與混凝土中氯離子檢測法與檢測值

楊仲家

國立台灣海洋大學材料工程所

•混凝土中氯離子及其檢測方法

•混凝土中氯離子檢測方法與檢測值之差異

•國內外混凝土中氯離子含量之規範

•混凝土中鋼筋腐蝕之氯離子臨界濃度

•結論與建議

1

混凝土中氯離子及其檢測方法

總氯離子

(Acid-soluble chloride) 酸溶性氯離子

水溶性氯離子

游離氯離子

(Water-soluble chloride)

新拌混凝土中的氯離子

硬固混凝土中的氯離子

依檢測法及存在型態分類

2

新拌混凝土

C

C C C C

C

檢測方法 新拌混凝土中氯離子

氯離子莫耳濃度(mole/L) x (用水量)

氯離子含量 (kg/m3)

取浮水

氯離子分析

檢測之氯離子含量:

包含水、其他組成物表面溶出之氯離子

3

硬固混凝土中氯離子

鍵結型氯離子 （Bound chloride）

游離型氯離子 (Free chloride ion)

1. 化學鍵結型 (Chemically bonded)：

2. 物理吸附型 (PHysically absorbed)

難溶穩定 化合物

C3A

C

C3S

+

C-S-H

Cl-

Cl-

Cl-

Cl-

Cl-

除左方兩種結合作用後，尚未固結的氯離子，也包含外在環境污染滲入混凝土中的氯離子。

可自由游離於混凝土的孔隙溶液中。 學者普遍認為僅有游離氯離子為產生鋼筋腐蝕的主要因素。

Cl-

Cl-

Cl- Cl-

4

硬固混凝土中水溶性氯離子

萃取 氯離子分析 硬固混凝土

取樣磨粉

壓碎磨粉

過#50篩

全部

檢測方法

5

試樣加50±1mL 水

加熱煮沸5 分鐘後靜置24 小時

以重力或抽氣方式過濾

濾液酸化處理

萃取 硬固混凝土中水溶性氯離子

Cl-

Cl-

Cl- Cl-

游離氯離子

Water-soluble chloride

水溶性氯離子

6

量測方法

硬固混凝土

取樣磨粉

加熱萃取

氯離子分析

硬固混凝土中水溶性氯離子

滴定

Cl-

Cl-

Cl- Cl-

游離氯離子

Water-soluble chloride

水溶性氯離子

7

硬固混凝土中酸溶性氯離子 量測方法

硬固混凝土

取樣磨粉

加熱萃取

氯離子分析

壓碎磨粉

過#50篩

全部

8

硬固混凝土中酸溶性氯離子 萃取

試樣加75±1mL 水

邊攪拌邊加熱至沸騰

加入稀硝酸

以重力或抽氣方式過濾

濾液取得

Cl-

Cl-

Cl- Cl-

游離氯離子

+

C-S-H Cl-

Cl-

Cl- 鍵結型氯離子

酸溶性氯離子(總氯離子)

9

量測方法

硬固混凝土

取樣磨粉

加熱萃取

氯離子分析

硬固混凝土中酸溶性氯離子

滴定

32300kg

m

氯離子試樣: 3g

單位試樣之氯離子含量 x (混凝土單位重)

氯離子含量 (kg/m3)

10

新拌混凝土

取浮水

氯離子分析

新拌及硬固混凝土氯離子量測之差異性

硬固混凝土

結果是否相等或相關?

氯離子分析

取樣及試驗方式不同

計算方式不同 磨粉萃取

11

使用硬固混凝土氯離子量測值

套在新拌混凝土氯離子規範值 是否等值或相關?

12

混凝土中氯離子檢測方法與檢測值之差異

• 水泥漿體及外加氯離子

• 砂漿、混凝土及外加氯離子

• 新拌、硬固水溶、硬固酸溶之關係

13

氯離子含量:0、0.1、0.2、0.3、0.4kg/m3

粗粒料體積

0.35、0.40、0.45

w/c=0.35, 0.45 , 0.55, 0.65 混凝土

全部實驗材料

細粒料體積

0.30~0.60

水泥砂漿

水灰比 0.35~0.65 水泥漿

共140組

14

試體編號

水膠比 水 水泥

P35 0.35 523 1502

P45 0.45 586 1303

P55 0.55 634 1153

P65 0.65 672 1034

（ kg/m3 ） 水泥漿體及外加氯離子

硬固水溶

• 水泥中氯離子檢出量:49 ppm

硬固酸溶

• 水泥中氯離子檢出量:105 ppm

• 約水溶之2倍

• 一般水泥氯離子含量約100ppm

新拌

• 水泥中氯離子檢出量:47 ppm

• 每方水泥含量400kg以上才會溶出

15

試體編號

水膠比 水 水泥

P35 0.35 523 1502

P45 0.45 586 1303

P55 0.55 634 1153

P65 0.65 672 1034

（ kg/m3 ）

P35-4

P35-3

P35-2

P35-1

P35-0 647.1 10 0.014y x

644.1 10 0.089y x

683.7 10 0.254y x

635.2 10 0.211y x

656.3 10 0.39y x

649.1 10 0.096y x

642.2 10 0.141y x

639.6 10 0.196y x

642.2 10 0.172y x

642.4 10 0.23y x

6104.6 10 0.070y x

6124.3 10 0.119y x

6136.6 10 0.220y x

6127.4 10 0.169y x

6107.5 10 0.321y x

水泥漿體及外加氯離子

30.1~ 0.4 kg m添加 氯離子

新拌 硬固水溶 硬固酸溶

16

氯離子添加量與新拌氯離子量測值

y = 1.04x + 0.045

R2 = 0.994

氯離子添加量 (kg/m3) 新拌混凝土中氯離子含量

(kg/m

3)

水泥漿

y = 1.13x + 0.036

R2 = 0.983

氯離子添加量 (kg/m3)

水泥砂漿

y = 1.12x + 0.025

R2 = 0.983

氯離子添加量 (kg/m3)

混凝土

• 新拌混凝土中氯離子含量比氯離子添加量高

• 添加之氯離子完全反應於新拌混凝土中氯離子檢測值

• 額外添加氯離子之方式，不能反應出水泥中氯離子之影響 17

氯離子添加量 (kg/m3)

(kg/m3)

Cement 氯離子添加量

C35-x-35 654 0.23

C45-x-35 509 0.18

C55-x-35 416 0.15

C65-x-35 352 0.12

添加水泥量350ppm之氯離子

y = 1.12x + 0.025

R2 = 0.983

新拌混凝土中氯離子含量

(kg/m

3)

0.16 0.19

0.22

0.28

氯離子添加量與新拌氯離子量測值

18

y = 0.299x + 0.156

R2 = 0.866

y = 0.492x + 0.128

R2 = 0.934 y = 0.604x + 0.138

R2 = 0.910

水泥漿 水泥砂漿 混凝土

混凝土中水溶性氯離子含量

(kg/m

3)

氯離子添加量 (kg/m3) 氯離子添加量 (kg/m3) 氯離子添加量 (kg/m3)

2.未添加氯離子時，硬固混凝土中亦可測得水溶性氯離子(各組成物中的氯離子)

1.硬固混凝土中水溶性氯離子較氯離子添加量低(C3A, C3S的影響)

氯離子添加量與硬固中水溶性氯離子量測值

19

y = 0.648x + 0.110

R2 = 0.955 y = 0.789x + 0.168

R2 = 0.952

y = 0.849x + 0.199

R2 = 0.922

水泥漿 水泥砂漿 混凝土

混凝土中酸溶性氯離子含量

(kg/m

3)

氯離子添加量 (kg/m3) 氯離子添加量 (kg/m3) 氯離子添加量 (kg/m3)

氯離子添加量與硬固中酸溶性氯離子量測值

2.未添加氯離子時，硬固混凝土中亦可測得酸溶性氯離子(各組成物中的氯離子)

1.硬固混凝土中酸溶性氯離子較水溶性氯離子高

20

新拌中氯離子與硬固中水溶性氯離子之關係

新拌混凝土氯離子含量 (kg/m3)

混凝土中水溶性氯離子含量

(kg/m

3)

y=0.358x+0.156

R2=0.721

21

y = 0.599x + 0.191

R2 = 0.910

新拌混凝土氯離子含量 (kg/m3)

混凝土中酸溶性氯離子含量

(kg/m

3)

新拌中氯離子與硬固中酸溶性氯離子之關係

22

水溶性氯離子與酸溶性氯離子之關係

f（x）＝0.67x+0.0045

2 0.944R

2 0.950R

f（x）＝0.82x-0.04

23

新拌混凝土

規範 氯離子限制

CNS 3090

預拌混凝土

0.15 kg/m3

日本土木學會「混凝土標準示方書 施工編」

0.30 kg/m3

新拌混凝土 國內外混凝土中氯離子含量之規範

24

硬固混凝土水溶性氯離子

規範

環境

氯離子限制

(水泥重量百分比%)

ACI 318-14

Building Code

Requirements for

Structural Concrete

and Commentary

鋼筋 預力 無筋

乾燥或防潮 1.00 0.06

潮濕但無鹽害 0.30 0.06

潮濕且有鹽害 0.15 0.06

ACI 222R-01

Protection of Metals

in Concrete Against

Corrosion

0.06

乾燥 0.15

潮濕 0.08

EN 206

Specification,

performance,

production and

conformity

1.0

潮濕 0.20

乾燥或爐石混凝土 0.40

乾燥 0.20

潮濕 0.10

硬固混凝土水溶性氯離子 國內外混凝土中氯離子含量之規範

25

硬固混凝土水溶性氯離子

潮濕且有鹽害

ACI 318

水泥重量百分比

潮濕但無鹽害

ACI 318

潮濕 ACI 222R

乾燥 ACI 222R

26

硬固混凝土酸溶性氯離子

規範

環境

氯離子限制

(水泥重量百分比%)

ACI 222R-01

鋼筋 預力

0.08

乾燥 0.20

潮濕 0.10

NZS 3101 Concrete Structures

Standard

氯離子限制

(混凝土重量百分比%)

(kg/m3)

乾燥或防潮 0.07 (1.6)

0.022 (0.5) 潮濕鹽害 0.035 (0.8)

國內外混凝土中氯離子含量之規範 硬固混凝土酸溶性氯離子

27

潮濕

ACI 222R

水泥重量百分比

乾燥

ACI 222R

硬固混凝土酸溶性氯離子

28

29

新拌混凝土中氯離子的管制

NZRMCA (The New Zealand Ready Mixed Concrete Association)

NRMCA (National Ready Mixed Concrete Association)

EN 206

各組成材料供應商依酸溶法檢測氯離子提供給使用者

依配比計算加總混凝土中氯離子含量

確認是否合於規範

30

新拌混凝土中氯離子含量計算

水泥

用量(kg/m3)

水泥標準 水標準 砂標準 總氯

離子

含量 0.02% 0.025% 0.012%

200 0.040 0.045 0.096 0.181

300 0.060 0.045 0.096 0.201

400 0.080 0.045 0.096 0.221

500 0.100 0.045 0.096 0.241

備註 180 800

水泥

用量(kg/m3)

水泥標準 水標準 砂標準 總氯

離子

含量 0.035% 0.025% 0.012%

200 0.070 0.045 0.096 0.211

300 0.105 0.045 0.096 0.246

400 0.140 0.045 0.096 0.281

500 0.175 0.045 0.096 0.316

ACI 318

D W WC P

2 0.6 0.3 0.12

3 0.9 0.45 0.18

4 1.2 0.6 0.24

5 1.5 0.75 0.30

2 0.6 0.3 0.12

3 0.9 0.45 0.18

4 1.2 0.6 0.24

5 1.5 0.75 0.30

(邱秘書長提供)

混凝土中影響鋼筋腐蝕之氯離子臨界濃度

31

混凝土中影響鋼筋腐蝕之氯離子臨界濃度

32

ACI 222R

試驗條件 文獻 材料

濃度範圍

檢測方法 Free Cl-

(% wc)

Total Cl-

(% wc)

Cl-/OH-

混凝土板浸泡於含氯10%海水中 Perrersson[19] 混凝土 1.8-2.9 腐蝕速率

混凝土暴露於外部氯鹽中 Lambert[20] 混凝土 3.0 腐蝕速率

混凝土加Cl Gouda[21] OPC

BFSC

3.04

1.01

陽極極化

鋼筋未預清洗 Gouda[21] OPC 0.60 陽極極化

外加氯鹽於混凝土

中強度混凝土

高強度混凝土

高強度+添加劑

高強度+添加劑+飛灰

Kayyali[22]

MS

HS

HSS

HSSFA

1.15

0.85

0.80

0.45

假設Cl/OH臨界值為0.6，計算自由氯離子

混凝土摻入Cl且暴露於氯鹽中

Schiessl[23]

OPC

BFSC

FA

0.5-1

1-1.5

1-1.5

腐蝕電流

混凝土柱試體暴露於海洋環境 Thomas[24] 混凝土 0.5 目視+重量損失

RC試體暴露於海洋環境

飛灰含量=0%

飛灰含量=15%

飛灰含量=30%

飛灰含量=50%

Thomas[25] 混凝土

0.70

0.65

0.50

0.20

重量損失

混凝土版加Cl暴露於各種環境 Hope[26] OPC

0.097-0.19

腐蝕速率、重量損失

砂漿試體 Alonso[18] 砂漿 0.39-1.16 1.24-3.08 1.17-3.98 電流密度

砂漿試體 Gouda[21] OPC

BFSC

2.42

1.21

陽極極化

混凝土中影響鋼筋腐蝕之氯離子臨界濃度

(陳育聖博士整理)

33

條件 氯離子臨界值

( 膠結料質量百分比)

水下區

普通水泥W/B=0.5

普通水泥W/B=0.4

普通水泥W/B=0.3

1.6

2.1

2.3

浪濺區

潮間帶

普通水泥W/B=0.5

普通水泥W/B=0.4

普通水泥W/B=0.3

0.5

0.8

0.9

歐盟臨界氯離子濃度規定

General guidelines for durability design and redesign

混凝土中影響鋼筋腐蝕之氯離子臨界濃度

34

使用材料條件 氯離子臨界值

(kg/m3)

普通波特蘭水泥 -3.0(W/C)+3.4

高爐水泥、飛灰水泥 -2.6(W/C)+3.1

低熱高爐水泥，早強波特蘭水泥 -2.2(W/C)+2.6

矽灰水泥 1.2

W/C的範圍為0.30~0.55

日本土木學會「混凝土標準示方書-設計編」(2012年)

混凝土中影響鋼筋腐蝕之氯離子臨界濃度

35

Life-365 Service Life Prediction Model

Ct = 0.05 (% wt. of concrete).

Acid-soluble

混凝土中影響鋼筋腐蝕之氯離子臨界濃度

36

結論與建議

1. 探討新拌混凝土中氯離子相關問題時，不宜

使用額外添加氯離子之方式， 建議使用組成

物中實際之氯離子含量進行試驗。

2. 新拌混凝土中氯離子與硬固混凝土中水溶性

氯離子或酸溶性氯離子之關係不佳。

3. 硬固混凝土中水溶性氯離子含量約為酸溶性

氯離子之80%。

37

4. 建議如下擇一制定硬固混凝土中氯離子含量標準。

1) 參考ACI 318使用水溶性(水泥重量百分比)

2) 參考ACI 318使用水溶性(混凝土重量百分比)

3) 參考ACI 222R使用水溶與酸溶性並行

5.建議鋼筋腐蝕之氯離子臨界濃度列為下一階段工作。

38

敬請指教